JP2012007547A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が急減する場合において、ＥＧＲ率の制御の遅れによる燃焼不安定の問題を回避する。
【解決手段】排気通路４におけるタービン５２の下流側と吸気通路３におけるコンプレッサ５１の上流側とを接続する外部ＥＧＲ通路２１と、吸気通路３におけるコンプレッサ５１の上流側に設けられた吸気絞り弁３５とを具備する内燃機関０において、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が減少しその変化量が所定以上のとき、吸気絞り弁３５を全開に制御して、吸気中の新気の割合を速やかに増大させることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボ過給機及び排気ガス再循環装置が付帯した内燃機関に関する。

気筒内の燃焼温度を低下させ、以て有害物質であるＮＯ_xの排出量を削減する排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が知られている。ＥＧＲ装置は、燃焼により発生した排気ガスの一部を吸気に混入するものである。

気筒から排出された直後の高温高圧の排気ガスを吸気通路に還流する高圧ループＥＧＲに対し、排気ターボ過給機のタービン及び排気ガス浄化用の触媒を通過した低温低圧の排気ガスを吸気通路に還流する低圧ループＥＧＲ（例えば、下記特許文献１を参照）は、大量のＥＧＲガスを吸気に混入できる点で有利である。

アクセルペダルの踏込量（または、スロットル弁の開度）が急に減少した場合、要求されるＥＧＲ率も急速に低下する。ところが、低圧ループＥＧＲでは、大気圧に近いＥＧＲガスを流通させる都合上、ＥＧＲ通路の経路長が長くその管径も太い。このため、要求ＥＧＲ率の急減に合わせてＥＧＲ弁を閉じる操作を行ったとしても、ＥＧＲ通路の内部には依然としてある程度の量のＥＧＲガスが残留しており、この残留ＥＧＲガスが吸気に混交することでＥＧＲ率の低下が遅れてしまう。結果、気筒に充填される吸気のＥＧＲ率が要求ＥＧＲ率と比較して過剰となり、減速時失火を引き起こすおそれがあった。

特開２００８−２４８７２９号公報

本発明は、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が急減する状況において、ＥＧＲ率の制御の遅れにより燃焼が不安定化する問題を回避することを所期の目的としている。

本発明では、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、前記排気通路における前記タービンの下流側と前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲ通路にＥＧＲ弁が設けられてなる低圧ループ式の排気ガス再循環装置と、前記吸気通路における前記ＥＧＲ通路の接続箇所よりも上流側に設けられた吸気絞り弁とを具備する排気ターボ過給機付きの内燃機関にあって、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量の変化量が所定未満のとき、前記吸気絞り弁を閉じ側に制御した状態で前記ＥＧＲ弁を開閉制御する定常時制御手段と、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が減少しその変化量が所定以上のとき、前記吸気絞り弁を開き側に制御する非定常時制御手段とを備えることとした。

即ち、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が急減する場合に、吸気絞り弁を優先的に開放操作して、吸気中の新気の割合を速やかに増大させるようにしたのである。このようなものであれば、ＥＧＲ通路の内部に残留していたＥＧＲガスに起因するＥＧＲ率の低下の遅れを解消でき、減速時失火を防ぐことができる。

さらに、前記吸気通路における前記コンプレッサと吸気マニホルドとの間に設けられたスロットル弁と、前記吸気通路における前記吸気絞り弁の上流側と前記スロットル弁の下流側とを接続する新気バイパス通路と、前記新気バイパス通路に設けられたバイパス弁とを具備し、前記非定常時制御手段による制御の際、前記バイパス弁を開き側に制御するとともに前記スロットル弁を閉じ側に制御することとすれば、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が急減する場合において、新気バイパス通路を介して新気の導入を促進し、早期にＥＧＲ率を低下させることが可能となる。

本発明によれば、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が急減する状況における、ＥＧＲ率の制御の遅れによる燃焼不安定の問題を回避することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の構成を示す図。 要求負荷と要求ＥＧＲ率との関係を示す図。 同実施形態における制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。 同実施形態における制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャート。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態における内燃機関０は、複数の気筒１（特に、二気筒）と、各気筒１内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けて排気ガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れ、吸気マニホルド３６を介して各気筒１の吸気ポートへと分配する。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、吸気絞り弁３５、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットル弁３３、サージタンク３４を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を、各気筒１の排気ポートから排気マニホルド４２を介して集め外部へと導く。この排気通路４上には、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成してなる。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸気を過給（加圧圧縮）して気筒１に送り込む。タービン５２の周囲には、タービン５２に流入する排気ガス量を調節するノズルベーン（図示せず）が存在する。

また、排気マニホルド４２とタービン５２の下流とを短絡する排気バイパス通路（図示せず）上に、ウェイストゲート弁（図示せず）を設けている。ウェイストゲート弁は、ダイヤフラム式アクチュエータによって駆動される既知のものである。ウェイストゲート弁は、中高速高負荷の運転領域においてその開度を拡げることで、排気ガスの一部をタービン５２に流入させずに迂回させ、過度の過給を抑制し、ノッキングを予防する。逆に、低速高負荷の運転領域においては完全に閉止して排気バイパス通路を遮断し、過給を通じて気筒１に充填される新気量を確保、気筒１内の掃気を確実ならしめる。

ＥＧＲ装置２は、いわゆる低圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における三元触媒４１の下流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３における吸気絞り弁３５の下流、かつコンプレッサ５１の上流の所定箇所に接続している。この低圧ループＥＧＲ通路２１の圧力損失は、数百Ｐａ程度と非常に小さい。ＥＧＲ通路２１上には、ＥＧＲクーラ２２及びＥＧＲ弁２３を設けてある。

加えて、本実施形態では、吸気通路３における吸気絞り弁３５の上流とスロットル弁３３の下流とを短絡する新気バイパス通路６１を配設した上、この新気バイパス通路６１上にバイパス弁６２を設けている。バイパス弁６２は、後述する付加処理の実行時以外は閉止して新気バイパス通路６１を遮断している。

内燃機関０の運転制御を司るＥＣＵ（電子制御装置）７は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。入力インタフェースには、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ａ、吸気通路２に流れ込む新気量を検出するエアフローメータｂから出力される新気量信号ｂ、サージタンク３４内の過給圧（吸気圧）を検出する圧力センサから出力される過給圧信号ｃ、サージタンク３４内の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｄ、冷却水温を検出する水温センサから出力される水温信号ｅ、ＥＧＲ通路２１におけるＥＧＲ弁２３の上流側の排気圧及び下流側の排気圧をそれぞれ検出する圧力センサから出力される圧力信号ｆ、ｇ、排気通路４に流れ出る排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ及び／またはＯ₂センサから出力される空燃比信号ｈ、ｉ、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサから出力されるアクセル信号ｊ等が入力される。出力インタフェースからは、燃料噴射弁１１に対して燃料噴射信号ｋ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｌ、ＥＧＲ弁２３に対して開度操作信号ｍ、吸気絞り弁３５に対して開度操作信号ｎ、電子スロットル弁３３に対して開度操作信号ｏ、バイパス弁６２に対して開度操作信号ｐ、ノズルベーンに対して開度操作信号ｑ等を出力する。

ＥＣＵ７のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行して内燃機関０の運転を制御する。その概要を述べると、ＥＣＵ７は、エンジン回転数ａ、サージタンク３４内の過給圧ｃ及び吸気温ｄを参照して気筒１に充填される（ＥＧＲガスを含めた）吸気量を推算するとともに、新気量ｂを参照して当該吸気中の外部ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）を推定する。そして、吸気量及びＥＧＲ率、並びに冷却水温ｅ、空燃比ｈ、ｊ等から、要求される燃料噴射量を算定し、算定した燃料噴射量に対応する燃料噴射信号ｋを燃料噴射弁１１に印加する。

並びに、エンジン回転数ａ及びアクセル踏込量ｊに基づく要求負荷を参照して、要求過給圧及び要求ＥＧＲ率（または、要求ＥＧＲ量）を設定する。そして、それら要求過給圧及び要求ＥＧＲ率と、実測過給圧ｃ及び推定ＥＧＲ率との偏差から、ノズルベーン及びＥＧＲ弁２３の各開度の操作量を算定して、算定した操作量に対応する開度操作信号ｑ、ｍをノズルベーン及びＥＧＲ弁２３に印加する。因みに、ノズルベーン開度の操作によりターボ効率を下げてやれば、背圧が上昇してＥＧＲガスがより多く還流しやすくなる。

しかして、本実施形態におけるＥＣＵ７は、プログラムに従い、定常時制御手段及び非定常時制御手段としての機能を発揮する。

図２に、アクセル踏込量ｊに基づく要求負荷と、要求ＥＧＲ率との関係の大まかな傾向を示す。基本的に、要求ＥＧＲ率は、中負荷領域において最も高く、低負荷領域、高負荷領域においてはそれよりも低い。とりわけ、低負荷領域においては要求負荷が低くなるほど要求ＥＧＲ率が低下し、高負荷領域においては要求負荷が高くなるほど要求ＥＧＲ率が低下する。運転者が急にアクセルペダルから足を離した場合のように、要求負荷が急減少する状況では、要求ＥＧＲ率も急低下する。

定常時制御手段は、要求ＥＧＲ率が一定、または要求ＥＧＲ率の単位時間当たりの変化量の絶対値が所定未満である緩変化のときに、吸気絞り弁３５を全開よりもやや絞った開度に制御しながら、推定される吸気のＥＧＲ率と要求ＥＧＲ率との偏差を収束せしめるようにＥＧＲ弁２３を開閉制御する。

吸気絞り弁３５を絞るのは、吸気通路３に還流するＥＧＲガス量の振動を抑制するためである。低圧ループＥＧＲでは、ＥＧＲ通路２１自体の流路抵抗は低く抑えられている。ＥＧＲ通路２１の入口側と出口側との差圧が小さいと、ＥＧＲ弁２３の開度が仮に一定であったとしても、吸排気脈動その他の擾乱の影響を受けて、ＥＧＲ通路２１を流通するＥＧＲガスの量が乱高下してしまう。さすれば、各気筒１に充填される吸気のＥＧＲ率が吸気行程の機会毎にばらつき、燃焼が不安定となる。そこで、吸気絞り弁３５の開度を絞り、ＥＧＲ弁２３の前後差圧を一定以上に高めて、吸気のＥＧＲ率の安定化を図っている。

これに対し、非定常時制御手段は、要求ＥＧＲ率が低下傾向にあり、その単位時間当たりの変化量の絶対値が所定以上である急減少のときに、吸気絞り弁３５を上記開度よりも開き側（特に、全開）に制御する。

図３及び図４に、ＥＧＲ制御に関し、ＥＣＵ７がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ７は、要求ＥＧＲ率の単位時間当たりの変化量の絶対値が所定未満であるか否かを判定し（ステップＳ１）、所定未満であるならば定常時制御（ステップＳ２ないしＳ５）を実施し、所定以上であるならば非定常時制御（ステップＳ６ないしＳ１５）を実施する。

定常時制御では、推定ＥＧＲ率と要求ＥＧＲ率との偏差の絶対値が所定以上であるか否かを判定して（ステップＳ２）、偏差の絶対値が所定以上である場合に、その偏差を小さくする方向にＥＧＲ弁２３を操作する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、実際の吸気のＥＧＲ率が要求ＥＧＲ率よりも小さければＥＧＲ弁２３の開度を拡大し、大きければＥＧＲ弁２３の開度を縮小する。

また、ＥＧＲ通路２１における、ＥＧＲ弁２３の上流側の圧力ｆと下流側の圧力ｇとの差圧が所定範囲内にあるか否か、つまりは差圧が所定下限以上かつ所定上限以下であるか否かを判定して（ステップＳ４）、差圧が所定範囲内にない場合に、その差圧を所定範囲内に収める方向に吸気絞り弁３５を操作する（ステップＳ５）。ステップＳ５では、差圧が所定下限を下回っていれば吸気絞り弁３５の開度を拡大し、上回っていれば吸気絞り弁３５の開度を縮小する。ステップＳ４及びＳ５により、定常時制御中の吸気絞り弁３５の開度は、全開よりも幾分絞られた開度に維持される。

非定常時制御では、要求ＥＧＲ率が上昇傾向にあるか下降傾向にあるか（ステップＳ６）によって実行する処理が異なる。要求ＥＧＲ率が上昇傾向にあるときには、定常時制御と同じようにＥＧＲ弁２３及び吸気絞り弁３５を操作する。即ち、推定ＥＧＲ率と要求ＥＧＲ率との偏差の絶対値が所定以上であるか否かを判定し（ステップＳ７）、偏差の絶対値が所定以上である場合に、その偏差を小さくする方向にＥＧＲ弁２３を操作する（ステップＳ８）。但し、ステップＳ８におけるＥＧＲ弁２３の操作速度（応答速度）、換言すれば単位時間当たりの開度の変化量は、ステップＳ３におけるそれよりも上げることが好ましい。

また、ＥＧＲ通路２１における、ＥＧＲ弁２３の上流側の圧力ｆと下流側の圧力ｇとの差圧が所定範囲内にあるか否かを判定し（ステップＳ９）、差圧が所定範囲内にない場合に、その差圧を所定範囲内に収める方向に吸気絞り弁３５を操作する（ステップＳ１０）。但し、ステップＳ１０における吸気絞り弁３５の操作速度は、ステップＳ５におけるそれよりも上げることが好ましい。

翻って、要求ＥＧＲ率が下降傾向にあるときには、ＥＧＲ弁２３の上流側の圧力ｆと下流側の圧力ｇとの差圧によらず、吸気絞り弁３５を全開まで開き（ステップＳ１１）、吸気中に含まれる新気の割合を速やかに増大させる。その上で、推定ＥＧＲ率と要求ＥＧＲ率との偏差の絶対値が所定以上であるか否かを判定し（ステップＳ１２）、偏差の絶対値が所定以上である場合に、その偏差を小さくする方向にＥＧＲ弁２３を操作する（ステップＳ１３）。ステップＳ１１による吸気絞り弁３５の強制開放操作は、要求ＥＧＲ率の変化量の絶対値が所定未満となるまで続行する。

なお、要求ＥＧＲ率が下降傾向にある非定常時制御において、バイパス弁６２を開き（ステップＳ１４）、かつ電子スロットル弁３３をアクセルペダルの踏込量によらずに強制的に閉じる（ステップＳ１５）付加処理を実行しても構わない。当該付加処理により、スロットル弁３３の下流側ひいては吸気マニホルド３６内が負圧となり、新気が新気バイパス通路６１経由で気筒１に流入することとなる。尤も、当該付加処理は必須ではない。例えば、要求ＥＧＲ率の変化量の絶対値がそれほど大きくない、要求ＥＧＲ率の低下が急激ではない場合にはステップＳ１４及びＳ１５を回避するということも考えられる。

本実施形態によれば、排気通路４に設けられたタービン５２と、吸気通路３に設けられ前記タービン５２により駆動されるコンプレッサ５１と、前記排気通路４における前記タービン５２の下流側と前記吸気通路３における前記コンプレッサ５１の上流側とを接続するＥＧＲ通路２１にＥＧＲ弁２３が設けられてなる低圧ループ式の排気ガス再循環装置２と、前記吸気通路３における前記ＥＧＲ通路２１の接続箇所よりも上流側に設けられた吸気絞り弁３５とを具備する排気ターボ過給機５付きの内燃機関０にあって、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量の変化量が所定未満のとき、前記吸気絞り弁３５を閉じ側に制御した状態で前記ＥＧＲ弁２３を開閉制御する定常時制御手段と、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が減少しその変化量が所定以上のとき、前記吸気絞り弁３５を開き側に制御する非定常時制御手段とを備えることとしたため、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が一定、またはその変化量が小さい緩変化の状況において、ＥＧＲ弁２３の前後差圧を一定以上に高めてＥＧＲ通路２１を流通するＥＧＲガス量の振動を抑制することができる。これにより、ＥＧＲ限界を引き上げることができ、ポンピングロスを低減させ燃費を向上させることが可能となる。そして、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が急減する状況においては、気筒１に充填される吸気中の新気の割合を速やかに増大させることができる。従って、ＥＧＲ通路２３の内部に残留していたＥＧＲガスに起因するＥＧＲ率の低下の遅延が解消され、減速時失火を未然に防ぎ得る。

さらに、前記吸気通路３における前記コンプレッサ５１と吸気マニホルド３６との間に設けられたスロットル弁３３と、前記吸気通路３における前記吸気絞り弁３５の上流側と前記スロットル弁３３の下流側とを接続する新気バイパス通路６１と、前記新気バイパス通路６１に設けられたバイパス弁６２とを具備し、前記非定常時制御手段による制御の際、前記バイパス弁６２を開き側に制御するとともに前記スロットル弁３３を閉じ側に制御することとしたため、要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が急減する状況において、新気バイパス通路６１を介して新気の導入を促進し、早期にＥＧＲ率を低下させることが可能となる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

０…内燃機関
２１…ＥＧＲ通路
２３…ＥＧＲ弁
３…吸気通路
３３…スロットル弁
３５…吸気絞り弁
４…排気通路
５１…コンプレッサ
５２…タービン
６１…新気バイパス通路
６２…バイパス弁
７…ＥＣＵ（定常時制御手段、非定常時制御手段）

Claims (2)

1. 排気通路に設けられたタービンと、
   吸気通路に設けられ前記タービンにより駆動されるコンプレッサと、
   前記排気通路における前記タービンの下流側と前記吸気通路における前記コンプレッサの上流側とを接続するＥＧＲ通路にＥＧＲ弁が設けられてなる低圧ループ式の排気ガス再循環装置と、
   前記吸気通路における前記ＥＧＲ通路の接続箇所よりも上流側に設けられた吸気絞り弁とを具備する排気ターボ過給機付きの内燃機関において、
   要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量の変化量が所定未満のとき、前記吸気絞り弁を閉じ側に制御した状態で前記ＥＧＲ弁を開閉制御する定常時制御手段と、
   要求ＥＧＲ率または要求ＥＧＲ量が減少しその変化量が所定以上のとき、前記吸気絞り弁を開き側に制御する非定常時制御手段と
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記吸気通路における前記コンプレッサと吸気マニホルドとの間に設けられたスロットル弁と、
   前記吸気通路における前記吸気絞り弁の上流側と前記スロットル弁の下流側とを接続する新気バイパス通路と、
   前記新気バイパス通路に設けられたバイパス弁とをさらに具備し、
   前記非定常時制御手段による制御の際、前記バイパス弁を開き側に制御するとともに前記スロットル弁を閉じ側に制御する請求項１記載の内燃機関。

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